揭秘弹跳物理：从儿童玩具到高性能跳跃机器人的设计突破

受一款简单儿童玩具 —— 弹跳爆米花玩具的启发，研究人员解锁了设计更敏捷、更具可预测性软体机器人的关键。由柔性材料制成的软体机器人在精细任务中展现出巨大潜力，但其复杂运动难以预测和控制，尤其是跳跃等动态动作。

如今，来自庆应义塾大学和大阪大学的研究团队在《高级机器人研究》（Advanced Robotics Research）发表研究，详细阐述了薄半球形壳体跳跃的物理机制 —— 这正是跳跃软体机器人的基础构造单元。

半球壳体跳跃动力学解析

研究团队精心分析了这些半球形壳体的跳跃动力学，通过精密实验、数值模拟和理论计算相结合的方法，聚焦壳体与地面接触的关键作用。他们制作了多种硅橡胶半球形壳体，并采用桌面级实验装置通过气压控制其形变。

多重传感器捕捉到壳体的快速形状变化，为分析提供了详细数据。为进一步探究这一现象，团队运用物质点法（MPM）进行数值模拟，精确复现了壳体跳跃过程中的复杂形变。

接触面积变化的关键突破

核心突破在于理解壳体与地面接触面积的动态变化：当倒置壳体弹回原始形状时，接触面积从环形过渡到完整圆形。这一看似简单的转变，正是理解推动壳体向上能量传递的关键。

通过分析接触动力学，研究人员开发出跳跃高度预测公式，将过程分为 “初始抬升” 和 “最终弹发” 两个关键阶段。该公式准确反映了实验与模拟结果。

对软体机器人领域的革新意义

跳跃高度预测能力是软体机器人领域的重大进展，它省去了耗时耗力的试错测试，使研究人员能针对特定任务和环境设计机器人。这在探索、搜救和环境监测等领域尤为重要 —— 机器人需在复杂多变地形中行进。

“本研究凸显了分析单个组件对理解软体机器人整体性能的重要性，” 首席研究员 Tomohiko Sano 解释道，“它展示了向理论驱动设计的转变，使我们能制造更精密高效的软体机械。”

大阪大学教授、共同作者 Ryuichi Tarumi 进一步阐述其广泛影响：“对基础构造单元的这一根本性理解，为设计针对特定负载条件优化的新型软体机器人打开了大门，无需进行大量参数调研。”

这项研究不仅推动了软体机器人技术，还为弹性能量和运动原理提供了宝贵洞见，助力生物力学、材料科学乃至航空航天工程等领域发展。它标志着向坚固、可预测且真正具备实用能力的软体机械迈出了重要一步。